安科瑞 鮑靜君 崔麗潔

       摘要：本文討論了水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng)中常見的感性負(fù)荷設(shè)備，如曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵和污泥脫水設(shè)備對異步電動機(jī)的影響。這些設(shè)備導(dǎo)致異步電動機(jī)產(chǎn)生大量無功功率和諧波，進(jìn)而降低功率因數(shù)并對配電系統(tǒng)和負(fù)載帶來危害。因此，水務(wù)行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對電能質(zhì)量的重視，采取有效的無功補(bǔ)償和諧波治理措施，以調(diào)節(jié)功率因數(shù)并過濾諧波，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

　　要點(diǎn)：在水務(wù)行業(yè)的供配電系統(tǒng)中，無功功率和諧波是影響功率因數(shù)和電能質(zhì)量的關(guān)鍵問題。

　　1引言

　　在配電系統(tǒng)中，如果容量過大，技術(shù)人員會配置無功補(bǔ)償裝置，用于提升設(shè)備的功率因數(shù)，減少配電網(wǎng)的損耗。在某污水處理廠中，檢測人員對變壓器進(jìn)行了短時(shí)間檢測。雖然檢測結(jié)果顯示，在負(fù)載低于25%的工況下，變壓器的功率因數(shù)大于0.9，總諧波畸變率低于5%，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。然而，結(jié)合現(xiàn)場勘查結(jié)果和檢測數(shù)據(jù)，我們分析認(rèn)為該污水處理廠在無功補(bǔ)償方面還存在不足。工藝設(shè)備中的負(fù)荷重要設(shè)備（如重要工段的水泵、鼓風(fēng)機(jī)等）和設(shè)備組（如污泥脫水及干化系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等）均由變配電室的0.4kV系統(tǒng)供電。

　　諧波源分析是針對水務(wù)行業(yè)的一項(xiàng)研究。

　　水務(wù)行業(yè)的污水處理廠所使用的主要高功率設(shè)備有曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵、污泥脫水設(shè)備和干化設(shè)備等，此外還有大型空調(diào)系統(tǒng)、變頻器和通風(fēng)設(shè)備。

　　這些設(shè)備的變頻機(jī)構(gòu)和控制部件屬于典型的非線性負(fù)載，會給配電系統(tǒng)帶來20%-50%的諧波流入，從而污染電網(wǎng)。它不僅可能對無功功率補(bǔ)償設(shè)備產(chǎn)生潛在影響，還會影響各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，降低系統(tǒng)效率，并增加電力成本。

水務(wù)行業(yè)的電能質(zhì)量檢測和治理系統(tǒng)解決方案

　　1行業(yè)特征

　　對電能的質(zhì)量要求較為嚴(yán)格；

　　負(fù)載中含有各種不同類型的諧波源，其中配電諧波的數(shù)量較多。

　　主要的諧波是2N±1次諧波。

　　2解決方案

　　水處理行業(yè)的主要重點(diǎn)是污水處理廠。隨著城市的發(fā)展，各個城市對水處理的重視程度也在逐漸增加。老舊的水處理廠會進(jìn)行設(shè)備更新，而發(fā)展較快的廠家則會擴(kuò)張規(guī)模，增加設(shè)備數(shù)量。水處理廠配備了大量的抽水泵、過濾設(shè)備和自動處理設(shè)備。這些設(shè)備都有一個共同的特點(diǎn)：在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的諧波，因此對電源質(zhì)量要求很高。如果設(shè)備運(yùn)行過程中存在大量的諧波，會導(dǎo)致電壓和電流波形發(fā)生畸變，從而影響系統(tǒng)的供電質(zhì)量。同時(shí)，它還會對其他供電和用電設(shè)備造成危害，縮短設(shè)備的使用壽命，并干擾重要設(shè)備的正常工作。因此，水處理設(shè)備的電力系統(tǒng)諧波治理已成為該行業(yè)必須考慮的問題。

　　安科瑞電氣提供的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案，能夠滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維和電能質(zhì)量治理等各方面的需求。我們致力于為水務(wù)行業(yè)的用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)等多個方面來滿足用戶的需求，并為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

　　3方案特點(diǎn)

　　電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)可以使用本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理和設(shè)備運(yùn)維等功能，也可以通過連接AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)。

　　適用于需要精確測量電能質(zhì)量參數(shù)的場合，符合GB/T17626.30-2012中準(zhǔn)確度測量方法。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測已實(shí)現(xiàn)專業(yè)化：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電能質(zhì)量，測量精確，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置實(shí)現(xiàn)了信息互聯(lián)，通過一個統(tǒng)一的平臺進(jìn)行管理，便于用戶同時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的電能質(zhì)量和治理數(shù)據(jù)；

　　使用三電平電力電子驅(qū)動器件，可以通過輸出更多的電平來提升治理波形的質(zhì)量。

　　4安科瑞的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品

　　為了減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響，并確保無功功率因數(shù)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，避免罰款，我們可以采用配電房集中治理的方法。在水務(wù)行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵、污泥脫水設(shè)備以及干化成套設(shè)備泵等電器設(shè)備數(shù)量較多的情況下，我們可以選擇合適的變頻器設(shè)備來實(shí)現(xiàn)集中治理。

另外，我們還可以對整個低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，包括諧波分析、波形采樣、電壓暫降、暫升、中斷、閃變監(jiān)測等功能。這些功能能夠幫助我們?nèi)媪私怆娔苜|(zhì)量情況。為了實(shí)現(xiàn)集中治理，我們可以根據(jù)下圖選擇適合的產(chǎn)品。

　　運(yùn)行中的曝氣風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備會對供配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波污染，導(dǎo)致電流畸變率達(dá)到30%~50%。辦公樓的照明裝置多采用LED熒光燈、金鹵燈和調(diào)光器，這些裝置主要采用開關(guān)電源，其諧波電流主要是3次諧波電流，而且這些電流在N線上相互疊加，導(dǎo)致N線電流過大。針對以上情況，建議在重要設(shè)備的配電箱中增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，以達(dá)到消除諧波的目的，從而避免諧波對整個配電系統(tǒng)和其他設(shè)備的影響。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)平臺主要包括電能質(zhì)量治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和服務(wù)終端四個組成部分。其中，電能質(zhì)量治理設(shè)備是基礎(chǔ)部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)裙δ埽晃锢砭W(wǎng)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并對設(shè)備進(jìn)行策略功能分配；數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器，最終通過服務(wù)終端向用戶提供可視化展示。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測和治理系統(tǒng)不僅可以作為本地終端，為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理和設(shè)備運(yùn)維等功能，而且還可以通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，為用戶提供遙遠(yuǎn)的在線服務(wù)。

水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量問題是一個長期存在的難題，它會影響到供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)τ脩羯?cái)產(chǎn)造成威脅。本文將介紹五個經(jīng)典的水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量案例，并提供相應(yīng)的解決方案，旨在為水務(wù)行業(yè)提供有益的參考和借鑒。

　　1.供電電壓波動造成泵站運(yùn)行不穩(wěn)定

　　該案例的解決方案是安裝電壓穩(wěn)定器，通過對電網(wǎng)供電電壓的波動進(jìn)行控制，使泵站的電壓保持在安全穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而保證泵站運(yùn)行的穩(wěn)定性。

　　2.頻繁停電導(dǎo)致給水中斷

　　該案例的解決方案是安裝UPS不間斷電源，可以在短時(shí)間內(nèi)為供水系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電力，在停電期間保證供水系統(tǒng)正常運(yùn)作。

　　3.電力諧波導(dǎo)致儀表誤差大

　　該案例的解決方案是采用電力諧波濾波器，以最大限度地減少諧波對儀表的影響，確保儀表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　4.電網(wǎng)制造的高頻干擾影響了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

　　該案例的解決方案是安裝電磁屏蔽裝置，以減少電網(wǎng)對控制系統(tǒng)的干擾，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　5.相序不平衡導(dǎo)致電機(jī)過熱燒壞

　　該案例的解決方案是采用相序保護(hù)裝置，一旦檢測到相序不平衡，即刻停止電機(jī)運(yùn)行，防止電機(jī)過熱燒壞。

　　以上就是五個經(jīng)典的水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量案例及相應(yīng)的解決方案。水務(wù)行業(yè)應(yīng)該高度重視電能質(zhì)量問題，在實(shí)際運(yùn)作中積極采取措施，保證供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　5水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量案例及解決方案

　　湖南某污水處理廠的一臺2000kVA變壓器，其低壓側(cè)配備了兩臺容量為1000kvar的電容補(bǔ)償柜，柜內(nèi)采用自動投切的接觸器。經(jīng)過返廠檢修后發(fā)現(xiàn)，異常的儀表內(nèi)部主板均出現(xiàn)了不同程度的損壞。根據(jù)電設(shè)備的損毀情況描述以及該污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，初步判斷這是由于供配電系統(tǒng)受到了諧波擾動的影響。為了解決這個問題，污水處理廠委托第三方電能檢測機(jī)構(gòu)對事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行了電能質(zhì)量測試。

　　主要檢測參數(shù)包括：交流電壓和電流的有效值、電壓和電流相位的不平衡、電壓和電流的頻譜圖、總諧波失真率、50次以下的諧波含量、電壓和電流的峰值因數(shù)、電壓閃變、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓和電流的瞬態(tài)值以及波形。

　　對于選取的三處測試點(diǎn)A/B/C，其諧波監(jiān)測結(jié)果均未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。針對這個結(jié)果，我們進(jìn)行了具體分析如下：

　　測試點(diǎn)A是3臺152kW的臭氧設(shè)備的電源進(jìn)線端，2用1備。在污水處理廠運(yùn)維期間，臭氧高頻逆變器在輕負(fù)載狀態(tài)下，電流存在斷續(xù)工作的情況，諧波電流波動范圍值為33-284A（參考圖1）。諧波電流的數(shù)值波動非常大，且變化周期很短。當(dāng)臭氧設(shè)備有電流工作時(shí)，可以檢測到諧波電流；反之，無電流時(shí)則不存在諧波電流。處于電流斷流和有電流交替工作狀態(tài)時(shí)，臭氧設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流將會非常大。

　?。?）測試點(diǎn)B是指4臺75kW外排泵變頻柜的電源進(jìn)線端。經(jīng)測試結(jié)果顯示，該變頻柜在滿載情況下產(chǎn)生的諧波含量約為35%。此外，需要額外注意的是，5塊在線儀表因維修原因被安裝在外排泵附近的區(qū)域內(nèi)。變頻器通過應(yīng)用晶閘管等非線性電力電子元件來實(shí)現(xiàn)整流過程。這種工作方式可以很好地適應(yīng)水量和處理工藝的變化，以提高污水處理效率。然而，變頻器輸入和輸出端產(chǎn)生的諧波將直接影響整個供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是當(dāng)同一線路中安裝有大量或功率較大的變頻器時(shí)，對電網(wǎng)的沖擊將更加嚴(yán)重。

　?。?）測試點(diǎn)C指的是變壓器的二次側(cè)總出線端。由于測試點(diǎn)A和B的諧波疊加影響，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)可能會發(fā)生局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流遠(yuǎn)超過了測試點(diǎn)A處電容柜和電抗器的電流限值。這會導(dǎo)致部分投入使用的電容器和電抗器迅速損毀，并對電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設(shè)備造成不同程度的影響。

為了防止無功補(bǔ)償柜受到諧波的影響而損壞電容，以及防止產(chǎn)生諧振而導(dǎo)致無功補(bǔ)償柜燒毀，我們將原有的電容柜替換成SVG靜止無功發(fā)生器。新的發(fā)生器容量將按照原有電容柜的容量進(jìn)行替換，這樣可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，從而降低客戶的電費(fèi)支出。

　　根據(jù)對該污水處理廠電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)測的結(jié)果顯示，變壓器的二次側(cè)存在諧波頻率為5次、7次、11次和13次的電流波形，總共產(chǎn)生了200A的諧波電流。此外，諧波畸變率達(dá)到了27.6%。因此，我們建議安裝一個有源濾波器。最終，在我們公司的建議下，在變壓器的出線端安裝了一臺額定電流為300A的有源濾波器。

　　6結(jié)論

　　水務(wù)行業(yè)中的設(shè)備常常使用變頻器、電機(jī)和水泵，這導(dǎo)致非線性設(shè)備的負(fù)荷種類和數(shù)量急劇增加，諧波污染的問題也日益嚴(yán)重，對配電系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備造成了巨大危害。然而，水務(wù)行業(yè)對供配電系統(tǒng)中的諧波問題一直未能受到足夠重視，而諧波引起的電能消耗增加、設(shè)備故障和使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)大的。通過對水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究，并結(jié)合系統(tǒng)平臺，提出合理的整體解決方案，對于改善供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保障設(shè)備性能以及降低能耗都具有重要意義。